RU2225686C1

RU2225686C1 - Three-phase plasma generator

Info

Publication number: RU2225686C1
Application number: RU2002124491/06A
Authority: RU
Inventors: Ф.Г. Рутберг; А.А. Сафронов; ев В.Н. Шир; В.Н. Ширяев
Original assignee: Рутберг Филипп Григорьевич; Сафронов Алексей Анатольевич; Ширяев Василий Николаевич
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-03-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; physical experiments, plasma chemistry, metallurgy, recovery of toxic and domestic wastes. SUBSTANCE: three-phase plasma generator designed for low-temperature plasma generation has electrode unit whose case accommodates initial sections of three electrodes and plasma injector, as well as nozzle unit connected to electrode unit so that their spaces form single electrical discharge chamber. Installed at outlet of nozzle unit is plasma exit nozzle and at electrode input , plasma-forming gas feed ring. Working sections of electrodes are brought out to nozzle unit space; at least one additional plasma-forming gas feed ring is mounted in electrode unit. Ratio of electrode working section diameter D to its initial section diameter d is 3≥D/d≥1,1. Proposed generator is noted for essentially enlarged region of interaction between electric arc jumping the gap between electrodes and plasma-forming gas. EFFECT: enhanced efficiency of plasma generator. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, предназначено для получения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в физических экспериментах, плазмохимии, металлургии, а также установках по утилизации токсичных и бытовых отходов. The invention relates to electrical engineering, is intended to obtain low-temperature plasma and can be used in physical experiments, plasma chemistry, metallurgy, as well as installations for the disposal of toxic and household waste.

Известен трехфазный генератор плазмы переменного тока, US 4013867. Он содержит корпус, газовую камеру, множество дуговых нагревателей на корпусе и сопло. Однако множество дуговых нагревателей усложняет конструкцию и снижает ее надежность. Known three-phase alternating current plasma generator, US 4013867. It contains a housing, a gas chamber, many arc heaters on the housing and a nozzle. However, many arc heaters complicate the design and reduce its reliability.

Известен также трехфазный генератор плазмы переменного тока, US 5801489, включающий электродный блок, в корпусе которого размещены как начальные, так и рабочие части электродов, а также плазменный инжектор, в частности плазмотрон, который позволяет осуществить ионизацию пространства между электродами; с электродным блоком соединен сопловой блок таким образом, что полости образуют общее пространство - электроразрядную камеру; на выходе соплового блока имеется сопло, через которое выходит генерируемая плазма; на входе в электродный блок имеется кольцо для подачи плазмообразующего газа в электроразрядную камеру. Also known is a three-phase alternating current plasma generator, US 5801489, including an electrode unit, in the housing of which are placed both the initial and working parts of the electrodes, as well as a plasma injector, in particular a plasma torch, which allows ionization of the space between the electrodes; a nozzle block is connected to the electrode block in such a way that the cavities form a common space — an electric discharge chamber; at the exit of the nozzle block there is a nozzle through which the generated plasma leaves; at the entrance to the electrode block there is a ring for supplying a plasma-forming gas to the electric discharge chamber.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения. This technical solution is taken as a prototype of the present invention.

Недостатком этого устройства является малая зона, в которой осуществляется взаимодействие электрической дуги, возникающей между электродами, и плазмообразующего газа. Это обусловливает низкий коэффициент полезного действия устройства (не выше 60%). Полость сопловой камеры используется только для локализации электрической дуги и не используется для обеспечения взаимодействия электрической дуги с плазмообразующим газом. The disadvantage of this device is the small zone in which the interaction of the electric arc arising between the electrodes and the plasma-forming gas is carried out. This leads to a low efficiency of the device (not higher than 60%). The cavity of the nozzle chamber is used only for localization of the electric arc and is not used to ensure the interaction of the electric arc with plasma-forming gas.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи значительного увеличения зоны взаимодействия электрической дуги, возникающей между электродами, и плазмообразующего газа и повышение тем самым коэффициента полезного действия устройства. The present invention is based on the solution of the problem of significantly increasing the interaction zone of the electric arc arising between the electrodes and the plasma gas and thereby increasing the efficiency of the device.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в трехфазном генераторе плазмы переменного тока, включающем электродный блок, в корпусе которого закреплены начальные части трех электродов и плазменный инжектор, и сопловой блок, соединенный с электродным блоком таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру, при этом на выходе соплового блока установлено сопло для выхода плазмы, а на входе в электродный блок смонтировано кольцо для подачи плазмообразующего газа, рабочие части электродов введены в полость соплового блока, при этом в электродном блоке установлено, по меньшей мере, по одному дополнительному кольцу для подачи плазмообразующего газа; отношение диаметра D рабочий части электрода к диаметру d его начальной части составляет 3≥D/d≥1,1. According to the invention, this problem is solved due to the fact that in a three-phase alternating current plasma generator comprising an electrode unit, in the housing of which the initial parts of three electrodes and a plasma injector are fixed, and a nozzle unit connected to the electrode unit in such a way that their cavities form a single electric discharge a chamber; in this case, a nozzle for outputting a plasma is installed at the exit of the nozzle block, and a ring for supplying a plasma-forming gas is mounted at the entrance to the electrode block, the working parts of the electrodes are inserted into the cavity l nozzle block, while in the electrode block is installed at least one additional ring for supplying a plasma-forming gas; the ratio of the diameter D of the working part of the electrode to the diameter d of its initial part is 3≥D / d≥1.1.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна". The applicant has not identified sources containing information about technical solutions identical to the present invention, which allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty."

Реализация отличительных признаков изобретения обеспечивает (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы изобретения) важное принципиально новое свойство объекта: в процесс взаимодействия электрической дуги и плазмообразующего газа вовлекается полость сопловой камеры, которая ранее использовалась только для локализации электрической дуги; таким образом, в несколько раз увеличивается зона этого взаимодействия, коэффициент полезного действия устройства возрастает, по меньшей мере, до 80%, то есть не менее чем на 20% в сравнении с прототипом. The implementation of the distinguishing features of the invention provides (in combination with the features indicated in the restrictive part of the claims) an important fundamentally new property of the object: the cavity of the nozzle chamber, which was previously used only to localize the electric arc, is involved in the interaction of the electric arc and plasma-forming gas; thus, the area of this interaction is increased several times, the efficiency of the device increases by at least 80%, that is, by at least 20% in comparison with the prototype.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию "изобретательский уровень". The applicant has not found any sources of information containing information about the impact of the claimed distinctive features on the technical result achieved as a result of their implementation. This, according to the applicant, indicates that this technical solution meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - устройство в разрезе по продольной оси;
на фиг.2 - электрод в разрезе.The invention is illustrated by drawings, which depict:
figure 1 - device in section along the longitudinal axis;
figure 2 is an electrode in section.

Трехфазный генератор плазмы переменного тока включает электродный блок 1. В его корпусе закреплены начальные части 2 трех электродов, жестко соединенные (спаянные в единое целое) с подводящими штуцерами 3. В начальной части 2 и рабочей части 4 электрода имеется канал 5 для подачи охлаждающей жидкости, которая из канала 5 проходит в канал 6 с отводящим штуцером 7. В корпусе электродного блока 1 укреплен плазменный инжектор 8. Электродный блок 1 соединен посредством фланцевого соединения с сопловым блоком 9, при этом полости электродного блока 1 и соплового блока 9 образуют электроразрядную камеру 10, представляющую собой единое пространство, ограниченное стенками корпусов указанных блоков. На выходе из соплового блока 9 установлено сопло 11. На входе в электродный блок 1 установлено кольцо 12 для подачи плазмообразующего газа, в конкретном примере воздуха. Кроме того, в электродном блоке 1 установлено такое же дополнительное кольцо 13, а в сопловом блоке 9 установлены два дополнительных кольца 14 и 15 для подачи плазмообразующего газа. Рабочие части 4 электродов введены в полость соплового блока 9; отношение диаметра D рабочей части 4 электрода к диаметру d его начальной части 2 в конкретном примере составляет 2, это позволяет увеличить ресурс работы электрода. A three-phase alternating current plasma generator includes an electrode unit 1. In its case, the initial parts 2 of three electrodes are fixed, rigidly connected (soldered together) with supply fittings 3. In the initial part 2 and the working part 4 of the electrode there is a channel 5 for supplying coolant, which from channel 5 passes into channel 6 with a discharge fitting 7. A plasma injector 8 is mounted in the housing of the electrode unit 1. The electrode unit 1 is connected via a flange connection to the nozzle unit 9, while the cavities of the electrode unit 1 and the optical unit 9 form an electric discharge chamber 10, which represents a single space bounded by the walls of the enclosures of these blocks. At the exit of the nozzle block 9, a nozzle 11 is installed. At the entrance to the electrode block 1, a ring 12 is installed for supplying a plasma-forming gas, in a specific example of air. In addition, the same additional ring 13 is installed in the electrode block 1, and two additional rings 14 and 15 for supplying a plasma-forming gas are installed in the nozzle block 9. The working parts 4 of the electrodes are inserted into the cavity of the nozzle block 9; the ratio of the diameter D of the working part 4 of the electrode to the diameter d of its initial part 2 in the specific example is 2, this allows to increase the service life of the electrode.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Струя ионизированного газа, в частности воздуха, подается в электроразрядную камеру 10 и вызывает электрический пробой промежутка между электродами, к которым приложено напряжение 480 В. Электрическая дуга возникает в месте, где электроды наиболее близко находятся друг к другу. Рельсотропный эффект заставляет электрическую дугу двигаться вдоль электродов в сторону сопла, что увеличивает ее длину. Через кольца 12, 13, 14, 15 в камеру 10 поступает плазмообразующий газ (воздух), который нагревается от электрической дуги и переходит в состояние плазмы. Плазма движется вдоль продольной оси устройства и выходит через сопло 11. Как только напряжение на дуге достигает величины пробоя межэлектродного промежутка в самом узком месте, происходит повторный пробой, а первая дуга гаснет, цикл повторяется. Благодаря тому, что рабочие части электродов введены в полость соплового блока и наличию дополнительных колец 13, 14, 15 для подачи плазмообразующего газа, значительно увеличивается зона, в которой происходит взаимодействие электрической дуги и газа, что существенно повышает коэффициент полезного действия устройства. A jet of ionized gas, in particular air, is supplied to the electric discharge chamber 10 and causes an electric breakdown of the gap between the electrodes to which a voltage of 480 V is applied. An electric arc arises at the place where the electrodes are closest to each other. The rail-tropic effect causes the electric arc to move along the electrodes toward the nozzle, which increases its length. Through the rings 12, 13, 14, 15, a plasma-forming gas (air) enters the chamber 10, which is heated from an electric arc and goes into a plasma state. The plasma moves along the longitudinal axis of the device and exits through the nozzle 11. As soon as the voltage across the arc reaches the breakdown value of the interelectrode gap at its narrowest point, repeated breakdown occurs, and the first arc goes out, the cycle repeats. Due to the fact that the working parts of the electrodes are inserted into the cavity of the nozzle block and the presence of additional rings 13, 14, 15 for supplying a plasma-forming gas, the zone in which the interaction of the electric arc and gas takes place significantly increases, which significantly increases the efficiency of the device.

Для реализации данного устройства использовано обычное для этой области техники промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию "промышленная применимость". To implement this device, industrial equipment customary for this field of technology has been used, which determines the compliance of the invention with the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. A three-phase alternating current plasma generator comprising an electrode block, in the housing of which the initial parts of three electrodes and a plasma injector are fixed, and a nozzle block connected to the electrode block so that their cavities form a single electric discharge chamber, while the nozzle block is installed at the output of the nozzle block a nozzle for plasma exit, and a ring for supplying a plasma-forming gas is mounted at the entrance to the electrode block, characterized in that the working parts of the electrodes are introduced into the cavity of the nozzle block, while in the electrode th block and a nozzle unit installed on at least one additional ring for supplying a plasma gas.

2. The three-phase generator according to claim 1, characterized in that the ratio of the diameter D of the working part of the electrode to the diameter d of its initial part is 3≥D / d≥1.1.